一种用于清除熔盐中金属杂质的净化装置的制作方法

本实用新型属于熔盐处理技术领域，尤其涉及一种用于清除熔盐中金属杂质的净化装置。

背景技术：

在常用金属中，钛是地壳中含量最丰富的元素之一，在结构金属中丰度占第四位，仅次于铝、铁、镁。钛是一种性能优越的稀有金属材料，除了优越的强度/重量比，适合作为航天零组件以外，目前已经开发了许多非航天的用途，在石油、能源、交通、化工、生医等民用领域也得到了一定应用，并且其应用领域还在不断扩展。近年来，随着半导体技术、信息技术、生物材料等高科技领域的快速发展，它们对所使用的钛金属的纯度要求也越来越高，对高纯钛的需求量也越来越大。

高纯钛的生产方法主要有熔盐电解精炼法、碘化法、电子束熔炼法。用碘化法精炼时，析出速度慢，且是间歇式操作，因此生产率低。电子束熔炼法对一般的低熔点金属杂质元素及非金属元素C、N、H都可去除，但氧和重金属必须在电子束熔炼前用熔盐电解法或碘化法除去。采用熔盐电解法精炼钛不仅可以有效除去导致集成电路误差的放射性元素铀和钍，而且生产可连续进行，生产率高，消耗的能量小，生产成本低。

熔盐电解精炼制备钛的工艺，一般采用碱金属或碱土金属卤化物熔盐体系作电解质，电解质纯度一般为工业纯或分析纯，其中含有一定杂质。高温电解时，金属杂质元素离子例如Fe²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Cr³⁺和Mn⁴⁺等会在阴极与钛离子同时被电化学还原为金属，显著降低电解钛纯度。电解质中的水分和金属氧化物在熔融状态会污染电解钛，造成电解制得的钛的氧含量升高。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本实用新型目的在于：提供一种用于清除熔盐中金属杂质的净化装置，该净化装置可有效去除熔盐中的金属杂质。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案实现：

一种用于清除熔盐中金属杂质的净化装置，所述净化装置包括电极仓11、带有上盖6的反应器17、坩埚16和气体搅拌导管1；

所述坩埚16置于所述反应器17内；

所述上盖6连接有熔盐导管2和惰性气体/真空管3；所述熔盐导管2的下端穿过所述上盖6并延伸到所述坩埚16的下端；所述惰性气体/真空管3的下端穿过所述上盖6与所述反应器17连通；所述上盖6密封连接有液态金属排出管8、阴极机构和阳极机构；

所述气体搅拌导管1的下端穿过所述上盖6并延伸到所述坩埚16的下端；

所述电极仓11包括阳极气体收集管22、阴极仓23和阳极仓24；所述阳极气体收集管22与所述上盖6密封连接，下端穿过所述上盖6后与所述阳极仓24连通；所述阴极仓23和阳极仓24均置于所述坩埚16内的熔盐电解质13中，两者之间通过石英杆10固定连接；所述阴极仓23的上端与所述液态金属排出管8连通；

所述阴极仓23和阳极仓24分别通过所述阴极机构和阳极机构与外接电源的负极和正极连接。

进一步的，所述阴极机构包括阴极导杆7和石墨阴极板14；所述阴极导杆7与所述上盖6密封连接，下端穿过所述上盖6后与所述石墨阴极板14连接；所述石墨阴极板14位于所述阴极仓23内；

所述阳极机构包括阳极导杆9和石墨阳极板15；所述阳极导杆9与所述上盖6密封连接，下端穿过所述上盖6后与所述石墨阳极板15连接；所述石墨阳极板15位于所述阳极仓24内；

所述阴极导杆7和阳极导杆9的上端分别外接电源的负极和正极。

进一步的，所述阴极导杆7和阳极导杆9的表面均镀有陶瓷绝缘层25。

进一步的，所述陶瓷绝缘层25的厚度为10～30微米。

进一步的，所述阴极导杆7和阳极导杆9的材料为镍；

进一步的，所述阴极仓23的个数为2；2个阴极仓23对称分布在所述阳极仓24的两侧。

进一步的，所述上盖6上还设置有惰性气体出口阀4；所述惰性气体出口阀4用于控制惰性气体充入所述反应器17的流量。

进一步的，所述密封连接是采用聚四氟绝缘密封机构实现的；

所述聚四氟绝缘密封机构包括聚四氟绝缘密封套18、弓形紧固螺帽19、O型圈20和不锈钢外螺纹管21；

所述不锈钢外螺纹管21固定在所述上盖6上，并通过紧固螺帽19挤压所述聚四氟绝缘密封套18和O型圈(20)的方式，与连接件密封连接；

所述连接件包括阴极导杆7、液态金属排出管8、阳极导杆9和阳极气体收集管22。

进一步的，所述反应器17和上盖6的材料为304不锈钢；所述气体搅拌导管1、坩埚16和熔盐导管2的材料为镍；所述电极仓11的材料为石英。

本实用新型有益效果如下：

1、本实用新型采用电解法，有效地去除熔盐中的金属盐、氧化物形式存在的金属杂质，可有效提高电解钛的纯度。

2、本实用新型熔盐净化纯度高，具有可连续化生产特点。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实用新型的熔盐净化装置结构示意图；

图2为本实用新型的电极仓结构示意图；

图3为本实用新型的阴极机构结构示意图；

图4为本实用新型的阳极机构结构示意图；

图5为本实用新型的聚四氟绝缘密封机构示意图。

图中：1-气体搅拌导管、2-熔盐导管、3-惰性气体/真空管、4-气体出口阀、5-弓形紧固件、6-上盖、7-阴极导杆、8-液态金属排出管、9-阳极导杆、10-石英杆、11-电极仓、12-阳极气泡(Cl₂)、13-熔盐电解质、14-石墨阴极板、15-石墨阳极板、16-坩埚、17-反应器、18-聚四氟绝缘密封套、19-紧固螺帽、20-O型圈、21-不锈钢外螺纹管、22-阳极气体收集管、23-阴极仓、24-阳极仓、25-陶瓷绝缘镀层。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。

本实施例给出了用于清除熔盐中金属杂质的净化装置，其结构参考图1，该净化装置包括电极仓11、带有上盖6的反应器17、坩埚16和气体搅拌导管1。

其中，坩埚16置于反应器17内，反应器17与上盖6采用弓形紧固件5密封固定。上盖6连接有熔盐导管2、惰性气体/真空管3和惰性气体出口阀4。熔盐导管2的下端穿过上盖6并延伸到坩埚16的下端；惰性气体/真空管3和惰性气体出口阀4的下端均穿过上盖6与反应器17连通。上盖6上密封连接有液态金属排出管8、阴极机构和阳极机构(图中未标记)。气体搅拌导管1的下端穿过上盖6并延伸到坩埚16的底部，下端部分带有喷嘴。

本实施例的电极仓11的材料优选为石英，其结构参考图2，包括包括阳极气体收集管22、阴极仓23和阳极仓24。阳极气体收集管22与上盖6密封连接，下端穿过上盖6后与阳极仓24连通。阴极仓23的上端与液态金属排出管8连通。阴极仓23和阳极仓24均置于坩埚16内的熔盐电解质13中，两者之间通过石英杆10固定连接。本实施例的阴极仓23的个数为2。2个阴极仓23对称分布在阳极仓24的两侧。阴极仓23和阳极仓24分别通过阴极机构和阳极机构与外接电源的负极和正极连接。

本实施例的阴极机构的结构参考图3，包括阴极导杆7和石墨阴极板14。阴极导杆7与上盖6密封连接，下端穿过上盖6后与与石墨阴极板14连接。石墨阴极板14位于阴极仓23内。

本实施例的阳极机构的结构参考图4，包括阳极导杆9和石墨阳极板15。阳极导杆9与上盖6密封连接，下端穿过上盖6与石墨阳极板15连接。石墨阳极板15位于阳极仓24内。

本实施例的阴极导杆7和阳极导杆9的上端分别与外接电源的负极和正极连接，其表面均镀有陶瓷绝缘层25，其厚度为10～30微米。

本实施例采用聚四氟绝缘密封机构(图中未显示)实现密封连接。该聚四氟绝缘密封机构结构参考图5，包括聚四氟绝缘密封套18、弓形紧固螺帽19、O型圈20和不锈钢外螺纹管21。不锈钢外螺纹管21固定在所述上盖6上，并通过紧固螺帽19挤压所述聚四氟绝缘密封套18和O型圈20的方式，与连接件密封连接。本实施例中的连接件包括阴极导杆7、液态金属排出管8、阳极导杆9和阳极气体收集管22。

本实施例的反应器17和上盖6的材料为304不锈钢。阴极导杆7、阳极导杆9、坩埚16、熔盐导管2和气体搅拌导管1的材料均优选为镍。电极仓11的材料为石英。本实施例的熔盐为卤化物熔盐，优选为氯化物熔盐和氟化物熔盐。

本实施例能够有效地去除熔盐中的金属盐、氧化物形式杂质，从而有效地提高电解钛的纯度；本实施例制得的熔盐净化纯度高，具有可连续化生产特点。

本实施例的操作过程为：

1、洗气：关闭所有导管阀门，打开惰性气体/真空管3的真空阀门抽真空，直至反应器17内的绝对压力≤100Pa，维持20～40分钟。

2、关闭惰性气体/真空管3的真空阀门，打开惰性气体/真空管3的气体阀门充入惰性气体(如氩气)，进行洗气。

本实施例中的洗气的次数一般为2～4次，优选为3次。

为了保证反应仓内充满氩气,同时维持微弱正压，防止外界空气进入。在洗气过程中，当反应器17内的压力大于大气压10kPa时，通过调节惰性气体出口阀4，控制惰性气体(如氩气)流量，使氩气以微弱流量从气体输出管稳定流出，尾气通过缓冲瓶鼓入液体石蜡，气泡均匀为宜，维持反应器17内的正压为300～800Pa。

3、加热升温和导入熔盐：对净化装置进行加热，温度控制在750～800℃。使用熔盐泵或者增加压力的方法，将真空脱水后的熔盐(NaCl，KCl或NaCl-KCl)沿着熔盐导管2导入坩埚16内，导盐完成后，关闭熔盐导管2。

熔盐导入过程中，一直保持反应器17内的正压维持在300～800Pa，尾气持续鼓泡。

4、电解净化：将电极仓11的阴极仓23和阳极仓24分别通过阴极导杆7和阳极导杆9与外接电源的正极和负极连接，通入5～10A直流电，电解4～5小时，将液态金属通过液态金属排出管8排出，从而制得净化后的熔盐。

本实施例的每通电50～70分钟(优选为60分钟)时，由惰性气体搅拌导管1通入氩气搅拌5～15分钟(优选为10分钟)，这样可保证熔盐电解质混合均匀，促进杂质元素扩散。

本实施例的熔盐一般为卤化物熔盐。其净化原理为：在电解过程中，碱金属阳离子及杂质金属阳离子在阴极被还原为金属，碱金属密度低于氯化物熔盐且具有较低的熔点，在电解温度下呈液态，漂浮于电解质上方。其他高熔点金属阳离子在阴极得电子被还原为金属，附着在阴极表面或者脱落在阴极仓里。Cl^-在阳极失去电子，被氧化成Cl₂。Cl₂在上浮的过程中与熔盐充分接触，熔盐中的金属杂质氧化物，氢氧化物与Cl₂反应生成金属氯化物和O₂，所生成的金属氯化物迁移至阴极，被还原为金属，从而实现熔盐净化。

阴极反应：M²⁺+2e^-＝M(M代表金属杂质元素)；

在阴极，Na⁺、K⁺被还原为金属液体(液态钠为主)，漂浮于阴极室上方，Fe²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Cr³⁺和Mn⁴⁺等金属杂质离子同时被还原为金属附着于阴极表面或脱落于石英阴极仓底部。

阳极电化学反应：

2Cl^-＝Cl₂+2e^-

化学反应：2MO+2Cl₂＝2MCl₂+O₂↑(M代表金属杂质元素)

4AOH+2Cl₂＝2H₂O↑+4ACl+O₂↑(A代表碱金属或碱土金属)

在阳极，Cl^-失去电子，被氧化成Cl₂。Cl₂在上浮的过程中与熔盐充分接触，熔盐中的金属杂质氧化物，氢氧化物与Cl₂反应生成金属氯化物和O₂，所生成的金属氯化物迁移至阴极，被还原为金属，从而实现熔盐净化。

5、排盐：在负压条件下，将净化后的熔盐通过熔盐导管2吸入电解槽中或导出。

电解净化完成后，利用负压将净化后的卤化物熔盐通过熔盐导管2吸入电解槽中或导出。为了防止外界空气进入，在排盐过程中，反应器17内一直通入足量的惰性气体(如氩气)。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。